复杂地形下地面观测资料同化III. 两种解决模式地形与观测站地形高度差异方法的对比分析

模式地形与观测站地形高度差异是地面资料同化方案设计中的一大难点。本文通过个例和单点试验对第I和第II部分 (徐枝芳等, 2007a, 2007b) 中涉及的两种解决模式地形与观测站地形高度差异的地面资料同化方法 (即增加温度地形代表性误差和温度订正方法) 进行对比分析, 并将这两种方法应用于WRF_3DVAR, 进行3个月的连续数值试验。研究结果表明: 随着地形高度差异的增加, 采用增加观测误差方法得到的估计值向其它资料同化分析值 (背景场值) 靠近, 在一定的高度差异下则失去了同化分析地面资料的意义; 温度订正方法对温度递减率的取值较为敏感, 在有探空资料参与同化分析时, 温度递减率取值敏感性相对减弱。当采用的订正值较为准确时, 采用温度订正方法较增加观测误差方法能更好地处理两种地形高度差异, 地面资料信息应用更充分, 得到的估计值最有可能接近真实值。当模式地形与观测站地形高度差异较小 (小于100 m) 时, 两种解决模式地形与观测站地形高度差异的方法达到的效果基本一致。单点及个例试验表明, 有探空资料等高质量观测参与同化分析时, 采用增加观测误差方法得到分析场更接近真实场。三个月连续试验也表明有探空资料参与同化分析时, 采用增加观测误差方法比温度订正法改进的郭永润同化方案 (Guo et al., 2002) 同化地面资料效果好, 且加入地面资料同化对所有量级降水预报都有所改善。当地面资料同化方案没处理好时, 加入地面资料同化的效果反而不如不加地面资料同化。     

复杂地形下地面观测资料同化Ⅱ.模式地形与观测站地形高度差异代表性误差

第Ⅰ部分研究结果 (徐枝芳等, 2007) 表明模式与实际观测站地形高度差异对地面观测资料同化效果有较大影响.此文在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析, 考虑模式与实际观测站地形高度差异对同化效果的影响, 提出在地面观测误差中增加地形代表性误差来解决这个问题.研究结果表明: 地面资料同化分析时, 在其观测误差中加入一项新的误差--地形代表性误差, 能较好地解决地面资料同化分析中模式与观测站地形高度差异问题; 地面资料参与同化分析, 在观测误差中加入与模式和实际观测站地形高度差异大小相关的地形代表性误差时, 地面观测值对分析值的影响随着地形高度差异代表性误差的加入而减小, 同时又部分地将地面观测信息通过变分分析融进分析场, 使得低层分析更接近真实场, 且地面资料利用率更高, 24小时降水数值预报 (模拟) 的效果较好.     

复杂地形下地面观测资料同化II. 模式地形与观测站地形高度差异代表性误差

第I部分研究结果(徐枝芳等,2007)表明模式与实际观测站地形高度差异对地面观测资料同化效果有较大影响。此文在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析,考虑模式与实际观测站地形高度差异对同化效果的影响,提出在地面观测误差中增加地形代表性误差来解决这个问题。研究结果表明:地面资料同化分析时,在其观测误差中加入一项新的误差——地形代表性误差,能较好地解决地面资料同化分析中模式与观测站地形高度差异问题;地面资料参与同化分析,在观测误差中加入与模式和实际观测站地形高度差异大小相关的地形代表性误差时,地面观测值对分析值的影响随着地形高度差异代表性误差的加入而减小,同时又部分地将地面观测信息通过变分分析融进分析场,使得低层分析更接近真实场,且地面资料利用率更高,24小时降水数值预报(模拟)的效果较好。     

复杂地形下地面观测资料同化Ⅰ. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂, 模式地形与实际观测地形存在一定高度差异, 因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料 (常规地面观测站和地面自动站) 在中尺度数值模式中得到充分利用.作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析, 并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究.研究结果表明: 通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用, 并且地面观测资料 (温度、湿度、风场、地面气压) 中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果, 但各物理量起的作用大小不一样, 其中影响最大的是温度, 其次为湿度; 地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异, 适当考虑这种高度差异能取得较好的结果.     

复杂地形下地面观测资料同化I. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂，模式地形与实际观测地形存在一定高度差异，因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料（常规地面观测站和地面自动站）在中尺度数值模式中得到充分利用。作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析，并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究。研究结果表明：通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用，并且地面观测资料（温度、 湿度、 风场、 地面气压）中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果，但各物理量起的作用大小不一样，其中影响最大的是温度，其次为湿度；地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异，适当考虑这种高度差异能取得较好的结果。     

WRF-DA中地面观测资料同化方案的改进与应用

为了改善地面自动气象站观测数据在WRF-DA（the Weather Research and Forecasting Model-Data Assimilation）系统中的同化应用效果,提高数值模式的预报性能,对WRF-DA地面资料同化方案中温度和风速订正方案进行改进,形成地面资料同化更新方案。通过考虑地形高度差异对同化效果的影响,调整同化方案中地面要素由实际地形高度订正到模式高度的同化订正方案,提升地面观测温度及风速订正值的合理性。并进一步分析了2017年7月5日个例试验结果及2017年7月整月的批量试验,发现相比于使用原方案同化后的预报效果,选取更新方案同化地面自动气象站观测资料的模式预报效果在前9 h温度和风速的预报误差明显降低,且在24 h预报时效内更新方案对于模式预报均起到改善作用。      

地面观测资料同化初步研究

通过对比分析当前两种地面观测资料同化方案(Ruggiero方案和郭永润方案),对其优缺点进行初步分析研究。结果表明:两种同化方案同化地面观测资料后都是从模式低层到高层对分析场产生影响,中低层高度影响比较大,高层影响较小,并且对24 h模拟结果产生一定的影响。Ruggiero方案考虑了模式地形与观测站地形高度差异,但资料剔除较多,且模式分辨率越高,资料剔除对分析场的影响越明显。郭永润方案不考虑模式地形与观测站地形高度差异,假定所有地面观测资料位于模式面,因此无论模式分辨率如何,资料都能得到充分利用,但模式地形与实际观测站地形高度差异大小在地面观测资料同化分析中的影响不可忽略,因此郭永润方案有待改进,适当考虑这两种地形高度差异时效果更好。     

CMA-MESO三维变分同化系统2 m相对湿度资料同化研究

为了提高CMA-MESO （China Meteorological Administration Mesoscale model）（原GRAPES）三维变分同化系统中2 m相对湿度资料的应用效果,改善模式中相对湿度的分析和降水预报效果,分析了2015年6—8月T639（T639L60全球中期数值预报系统,0.28125°×0.28125°）分析场低层相对湿度和2 m相对湿度之差与表征稳定度的理查森数（Ri）的关系,发现二者有很好的相关,Ri＜0时,模式低层相对湿度与2 m相对湿度的差异较小,基本在同化观测误差范围内。依据该统计结果,对CMA-MESO同化系统中2 m相对湿度同化方案进行优化,Ri＜0时,将观测站地形低于模式地形的2 m相对湿度观测由观测站高度改为模式最低层高度进行同化,形成新的2 m相对湿度同化方案,旨在解决2 m相对湿度资料同化时模式地形高度与观测站高度不同的影响。2018年7月CMA-MESO三维变分同化系统（3DVar）个例和连续试验结果显示:新的2 m相对湿度同化方案同化分析资料数量明显增加,且08时多于20时（北京时）,新增观测点新息向量（背景减观测）与周围原有观测新息向量保持基本一致,分析残差偏差和均方根误差减小,降水预报效果明显改善。新2 m相对湿度同化方案通过提高观测站低于模式地形高度的观测资料合理应用,从而改善了3 km模式系统同化分析和预报效果。      

基于地面资料集合均方根滤波同化方案的京津冀暴雨模拟研究

为了更加有效地同化地面自动气象站观测资料,针对模式地形与观测站地形存在的高度差异对同化效果的影响,提出了相应的解决方案。在同化系统的位温和露点观测误差中分别引入位温和露点地形代表性误差,在WRF模式中应用集合均方根滤波方法（EnSRF）同化地面自动气象站观测资料,并对2016年一次京津冀暴雨个例进行数值试验。研究结果表明,同化地面资料后,同化阶段的均方根误差、预报阶段的降水TS评分和前13个时次各要素预报均有整体改进。在观测误差中引入地形代表性误差与引入前相比,风场均方根误差得到整体改进;位温和露点的均方根误差在前期表现并不稳定,在后期有所改进;预报阶段前24 h累计降水与后24 h累计降水TS评分在整体上均有所提高。新方案能够减少高度差异对同化效果的影响。      

利用地面观测资料参考标定雷达VAD资料气压高度方法研究

针对雷达VAD资料因不包含气压高度信息而在使用中受到限制的问题,设计了VAD资料气压高度标定方案。提出了以雷达站所在地地面气象观测要素作为参考的标定方法。具体为在压高公式中引人多元大气温度递减方案,地面基础要素由雷达站配备的地面自动气象观测站提供。针对这个方案敏感的温度垂直递减率,利用2007年全年探空资料计算得到温度垂直递减率随高度、时间、区域变化的分布,并分别进行常数温度递减率、随高度变化、随时间变化的温度垂直递减率,以及随两者同时变化的温度垂直递减率对标定结果误差影响的敏感性分析,并与传统的气候标定方案误差进行对比。通过一年的实际观测资料试验,结果表明：相对于不引入观测的气候统计值标定方案,可大大缩减标定误差。尤其是随高度和时间同时调整的温度垂直递减率的地面观测要素参考标定方案的误差最小,适应VAD资料的特点。     

模式探空的评估分析及其在强对流天气预报中的应用研究

分析华南地区强对流天气高发季节(4～5月)的模式探空与实际观测的比较结果.从模式探空的直接评估分析中发现,地面和较高层次的预报要素误差比较大,而中间层次误差比较小,在比较多个观测站和实时预报误差分析的基础上初步探讨其可能的原因.在不稳定度指数评估分析中发现,仅考虑中间层次要素的不稳定度指数性能比较稳定,而考虑地面要素的一些不稳定度指数则有可能比较敏感,在用地面观测订正后其质量有很大的提高.在强对流天气个例的应用研究中,认为逐时预报的模式探空有非常好的应用价值,以订正的对流有效位能指数为例进行了一些分析,表     

GFS模式地形高度偏差对地面2m气温预报的影响

利用2016年1月1日—12月31日全球预报系统(GFS,Global Forecasting System)1～5 d的2 m气温预报资料,以及同期中国地面气象站2 m气温观测资料,研究模式地形高度偏差对地面2 m气温预报的影响。结果表明,较大模式地形高度偏差可严重影响2 m气温模式预报性能,导致较大预报误差。随着模式预报时效延长,2 m气温预报均方根误差也略有增加。比较模式地形高度偏差和预报时效对于模式预报性能的影响,发现模式地形高度偏差对于模式预报效果的影响更加显著。两种地形订正方案,即不做温度垂直订正的线性回归以及对温度进行垂直订正的线性回归都能显著减小2 m气温模式预报的误差,后者的订正效果更好。     

探空温度资料质量控制技术研究

探空资料质量控制是探空资料在数值模式同化应用取得较好效果的重要保障,随着模式分辨率不断提高,探空资料飘移信息越来越需要应用到同化算子。本文通过全球谱模式T639L60(简称T639)分析场和掩星探测系统COSMIC资料对2011年7月我国119个探空站温度资料进行分析,同时结合探空气球随高度飘移信息以及温度残余误差等因素,开展探空温度质量控制技术研究。研究结果表明：探空气球飘移距离随高度而增大,在300~100 hPa之间飘移速率较大;基于探空温度资料残余误差和飘移因素建立的双权重标准质量控制方法能有效保障资料质量,是否考虑温度残余误差和飘移信息对质量控制结果有明显影响。当考虑温度残余误差时,300 hPa以上离群资料量显著减少;考虑飘移信息时,高层飘移速率较大区间离群资料量明显减少;模式地形与测站地形的高度差异对质量控制结果有明显影响,当测站地形高度低于模式地形时,易出现离群点,且两种地形差异大小与离群点呈正相关,即地形差异越大,低层离群资料越多。     

时间加密探空观测对分析和预报质量的敏感性研究

探空观测是气象资料同化中最基本的常规观测资料,对同化分析和预报的有效改善具有重要作用。由于现有探空观测站的空间分辨率较低,分布不均匀,且每日仅有两次观测,数量偏少,限制了其分析场对中小尺度大气状态的准确再现能力。自我国L波段雷达-数字探空仪更新换代以来,探空观测具备了获取每日4次、垂直分辨为秒级和分钟级的大气廓线资料。本文利用WRF中尺度数值模式,通过06时（世界时,下同）加密探空资料和12时常规探空资料的有效同化,研究分析了时间加密探空观测资料对同化分析和预报质量的敏感性影响。结果表明：同化06时的时间加密探空资料的午后暴雨预报质量优于12时常规探空观测。具体而言,同化06时的时间加密探空资料预报的大雨和暴雨的预报技巧高于12时常规探空资料;位势高度、温度和风场等预报场的均方根误差在高层的改进效果更加明显;06时的时间加密探空资料的同化对高层的高空急流和低层的水汽通量散度的预报质量贡献更大。批量试验进一步证实了有效同化时间加密探空资料对分析和数值预报效果改进的积极意义。     

地面报中高山站资料的应用分析

无线电探空仪观测和地面观测资料作为天气分析和数值预报最常用、最重要的两种资料数据源,两者时空分辨率有着明显的差异。如何利用地面观测资料的高时空分辨率特点来补充探空观测资料在一些地区的欠缺和不足,特别是地面高山站资料的使用对对流层底层环流场的影响及对精细化数值天气预报风场分析指示意义等都需要进一步的探究。文章通过对地面高山站资料在资料同化中不同的使用方式的分析,探索其作为探空资料的补充在资料同化中的贡献。个例试验选取2013年6月29日00时地面资料和探空观测资料进行资料同化,试验方法:分别将地面高山站资料作为探空资料和地面资料应用于同化分析中,结果表明:地面高山站资料当探空资料使用时对850和925 hPa风场同化分析有正效果。在地面高山站资料当探空资料使用和当地面资料使用的对比中,其24 h 850和700 hPa高度和风场预报试验差异不显著;但24 h降水预报结果显示:地面高山站资料当探空资料使用对降水强度和位置的预报都有弱的正贡献。连续试验的降水预报检验证明:在地面高山站较多的西南区,高山站资料当探空资料使用在小雨、中雨、暴雨等量级的预报评分要优于高山站资料当地面报使用,且其预报偏差也较小;在中国区降水预报检验高山站资料当探空资料和地面报使用差异不大。     

集合均方根滤波同化地面自动站资料的技术研究

模式地形与观测站地形高度差异一直是地面资料同化面临的棘手问题,合理的同化方案能够将地面自动站资料有效的同化到中尺度数值模式中。本文首先采用Guo et al.(2002)的方案实现了在WRF模式中应用集合Kalman滤波方法同化地面自动站资料;然后对方案进行调整,对10 m高度风场、2 m高度位温、2 m高度露点和地表气压进行同化。通过均方根误差分析,模拟结果和同化增量分析来确定集合平方根滤波(EnSRF)同化地面自动站资料的有效性,并进行敏感性试验分析检验模式对各要素物理量的响应状况。结果表明:在EnSRF同化系统中应用Guo et al.(2002)的方案将地面自动站资料进行同化到数值模式中,能够部分改善模拟结果;地面观测资料(温度、湿度、风场、地表气压)中各物理量分别同化到数值模式都能影响18小时降水预报,但各物理量所起作用大小不同,其中对结果影响最大的是露点;使用位温、露点分别代替温度、比湿进行同化模拟效果更好,对自动站资料的同化也更加有效。     

中尺度WRF数值模式系统本地化业务试验

利用中尺度WRF数值模式及WRF三维变分同化系统,在对比试验的基础上,选取了适合本地的积云过程、微物理过程和辐射过程的方案组合;选择了NCEP/GFS作为模式的背景场;统计计算了以云南为中心的区域背景误差协方差并替换了三维变分同化系统中原有的背景误差协方差;同时,考虑模式底层高度与地面观测站高度的差异,进行了地面资料地形订正.通过上述试验研究,建立了本地化的中尺度WRF数值预报业务系统,该系统能较好地刻画本地下垫面的动力和热力状况,预报能力有明显改善.     

基于CMA-TRAMS模式地形高度偏差的地面气温误差订正方法研究

采用一元线性方法建立南海台风模式CMA-TRAMS地形高度偏差和地面气温预报误差的回归关系,分别开展不分级、高度偏差分级和地面气温误差分级的三种订正方法的研究,并进行订正效果评估。结果表明,模式地面气温预报误差与地形高度偏差总体呈负的线性相关关系,地面气温预报绝对误差随地形高度偏差绝对值增大而增大（对模式地形高度偏低站点尤为明显）,但不同时刻地面气温预报误差特征表现不同,模式对地形高度偏高（即模式地形高于测站高度）和地形高度偏差小于50 m的站点,06时地面气温（世界时,下同）预报总体偏低,对地形高度偏低大于50 m的站点（即模式地形低于测站高度）,06时地面气温预报总体偏高;而无论站点地形高度偏差如何,模式对18时地面气温预报总体偏高。三种订正方法中地面气温误差分级法能有效地减小地面气温预报误差,该方法订正后的分析场准确率可达96%~99%,12~48小时时效预报场准确率总体可提升至90%以上,该方法具有回归关系稳定、效果显著、适用性广、简单易行等特点。     

适用于云南地区的地面资料同化方案设计及个例分析

利用2000—2007年5～10月云南及周边地区12个探空站08:00和20:00观测资料,分6种不同地形高度类型分析了边界层内基本气象要素间关系,根据分析结果设计了云南地面资料同化方案,并选取两个暴雨个例进行模拟分析。结果表明:探空资料的贡献在引入地面资料后有所调整,在Rug-giero方案中,地面资料的引入在模拟区域初始场中东部地区有明显的升温和增湿,对强降水的模拟改善作用较小;而在云南方案中东部地区的温度和湿度明显降低,叠加的地面测站与模式地形高度差异相关且大致相同,模拟的降水强度和范围在实况降水中心附近明显增加,而在降水强度不明显的区域变化不大,从而使得模拟效果得到了较好的改善,表明云南方案对云南地区强降水的模拟是适用的。     

探空加密观测资料对西南地区数值预报的影响分析

应用2013年6月逐日全国探空气象加密观测资料和常规观测资料,WRF模式模拟资料,西南地区地面自动站资料等,采用数值模拟、统计方法和天气学方法,分析了探空气象加密观测资料对数值模拟效果的影响。研究得到:(1)探空资料同化,总体上提高了降水的TS评分值,一定程度降低了降水预报空报率,提高了中雨和大雨的6h累积降水预报准确率。(2)探空资料同化主要使降水区上空位势高度增加,气旋环流减弱,从而影响降水落区和降水强度。(3)探空资料同化减小气象要素分析场和预报场的均方根误差,对高空要素预报的改进在前24h较明显,尤其是前6h,对地面气象要素预报在整个积分时段内总体呈现正效果作用。